小機排汽對主機凝汽器的影響研究

趙 建，牛全興，黎淵博，秦曉艷

（西安協(xié)力動力科技有限公司，陜西 西安 700119）

小機排汽對主機凝汽器的影響研究

趙 建，牛全興，黎淵博，秦曉艷

（西安協(xié)力動力科技有限公司，陜西 西安 700119）

利用管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ?qū)o水泵汽輪機排汽管道布置方案進行驗證與校核，了解不同工況下各管口的受力狀態(tài)。同時采用Fluent數(shù)值模擬的方法對布置給水泵汽輪機排汽管道前后主機凝汽器喉部流場變化情況進行模擬，分析了小機排汽對主機凝汽器喉部流場的影響，對凝汽器喉部設(shè)計和改造具有一定的參考意義。

給水泵汽輪機；凝汽器喉部；數(shù)值模擬

0 引言

為提高火電機組的總效率，降低火電廠自身消耗，一般200MW以上機組鍋爐不采用電動給水泵，而是從主汽輪機的中間級抽汽由小汽輪機驅(qū)動給水泵實現(xiàn)鍋爐給水。相對而言，給水泵汽輪機又叫小汽輪機，簡稱小機。

小機在節(jié)能改造后，一般不再單獨設(shè)置凝汽器，其排汽通過管道接入主機凝汽器。排汽管道的布置方式和接入點設(shè)計要考慮諸多因素，其中最重要的是解決管路系統(tǒng)的柔性設(shè)計問題。排汽管道系統(tǒng)的管路布置、支吊架布置以及位移吸收需要恰當?shù)姆椒▉斫鉀Q。管路膨脹節(jié)的典型布置型式有多種，其中有些應(yīng)用型式有其特殊限制條件，如不注意就會出現(xiàn)問題，所以需要對這些布置型式進行研究，以便在實際工程中選用。整個排汽接管系統(tǒng)是一個靜不定力學系統(tǒng)，為能尋求確切的結(jié)果，正確有效的分析計算方法是必不可少的［1］。

小機排汽的溫度、壓力都與主汽輪機排汽的溫度、壓力不同，所以凝汽器喉部蒸汽的流動就更為復雜。喉部流場的分布特性不但影響整個喉部的安全性，而且還影響到冷卻管的安全性［2-4］。在文獻［5-7］的研究基礎(chǔ)上，針對某300MW機組改造項目小機排汽接入主機凝汽器所選用的排汽管道以及接入后對主機凝汽器喉部蒸汽流動的影響進行分析與討論，通過計算確認小機排汽管受力是否能滿足實際工況的需求，研究蒸汽在布置有內(nèi)置式加熱器和小機排汽情況下凝汽器喉部的流動情況，對于凝汽器的完善化設(shè)計及改造具有一定的指導意義。

1 機組現(xiàn)狀及存在問題

1.1 機組現(xiàn)狀

某電廠現(xiàn)有2臺320MW機組，均為原蘇聯(lián)哈爾柯夫汽輪機制造廠生產(chǎn)的K-320-23.5-4型超臨界、一次中間再熱、單軸三缸、雙排汽、凝汽式汽輪發(fā)電機組，于1996年投產(chǎn)。汽輪機各配套1臺主凝汽器，1臺100%容量汽動給水泵和1臺50%容量電動給水泵。汽動給水泵配套1臺小凝汽器，型號為K-1200，雙流程表面式，設(shè)計冷卻面積1 200m2，設(shè)計冷卻水量 3 000 t/h。

1.2 存在的問題

大小機水阻匹配問題。由于系統(tǒng)的設(shè)計缺陷，從投產(chǎn)之初，即存在以下問題：小機凝汽器水阻比大機凝汽器水阻偏大50～60 kPa，當大機凝汽器循環(huán)水入口閥門開大時會造成小機凝汽器循環(huán)水流量不足或斷水，全開時小機凝汽器無水，難以保證小機凝汽器的運行。

小機性能惡化問題。由于小機設(shè)計時無膠球清洗系統(tǒng)，運行時間長后，管內(nèi)污泥量增大，傳熱系數(shù)下降明顯，尤其單機單泵運行時，機組真空較低，不僅影響經(jīng)濟性，更影響安全性。

經(jīng)過多年運行小機凝汽器的性能一直較差，并不斷惡化，造成出力不足，夏季尤為突出，嚴重威脅整個機組的穩(wěn)定安全運行。且小機已運行約15年，銅管腐蝕嚴重，問題頻出，亟待進行改造。

2 改造方案

針對小機凝汽器中心線布置現(xiàn)狀，改造中小汽輪機擬采用下排汽方式，通過排汽管導入主凝汽器喉部（見圖1），拆除小汽輪機下部的凝汽器及其下部的附件、循環(huán)水系統(tǒng)，疏水系統(tǒng)改接至大機疏水擴容器。該種布置方式可以有效地解決大小機凝汽器水量分配的問題，有利于充分發(fā)揮循環(huán)水泵的效率，并大大簡化小機系統(tǒng)，減少系統(tǒng)運行維護工作量。保證在機組THA（熱耗率驗收工況）工況下，小機凝汽器排汽管阻力不大于0.7 kPa，小機凝汽器壓力不高于5.5kPa。

（a）改造前系統(tǒng)

圖1 凝汽器系統(tǒng)

根據(jù)分析，列出了改造方案，見圖2。方案中小機排汽口下方焊接專用曲管壓力平衡補償器，通過30°斜管段引向大機凝汽器，喉部前設(shè)置電動真空蝶閥。曲管壓力平衡補償器的重量由一組彈簧支架支撐，真空蝶閥前設(shè)置彈簧吊架，真空蝶閥重量通過大機凝汽器本體和彈簧吊架共同承擔。此種方案系統(tǒng)及設(shè)備簡單，缺點是排汽管系橫向剛度較大，如大機考慮管口理論附加位移，小汽輪機排汽口將不能滿足受力要求，但通過實際運行測量后，實際位移僅2mm，遠小于理論位移12mm。

3 排汽管道阻力分析

采用商用流體分析軟件fluent對小汽輪機排汽管道進行計算和分析，了解管道布置對排汽的阻力影響。

3.1 計算條件

在計算的過程中忽略一些對流體運動影響不大的次要因素，作如下假設(shè)：由于蒸汽的流動距離短，速度快，發(fā)生相變的蒸汽量很少，因此假定流動工質(zhì)蒸汽的密度不變，整個流場溫度不變；假設(shè)小汽輪機排汽口進汽沿平面均勻分布；忽略重力的影響。排汽管道蝶閥的模擬按照實際尺寸簡化，分析狀態(tài)下蝶閥為全開狀態(tài)。

通過簡化，計算模型最終可被看作是蒸汽單相三維不可壓定常紊流流動。

3.2 管道阻力

排汽管道的壓力場分布見圖3。由圖3模擬結(jié)果可見管道最高壓力點在三通的末端，最低壓力點在上部彎管處底部。小汽輪機排汽口（方形入口處）平均壓力為5.77 kPa，排汽口（出口處）壓力為5.336 kPa，則進出口平均壓差約為0.314 kPa，滿足設(shè)計要求。

圖2 管道布置

圖3 排汽管道的壓力場分布

4 排汽管道應(yīng)力分析

管道應(yīng)力分析軟件CAESARⅡ是由美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，是進行機械管道系統(tǒng)設(shè)計和分析的工程工具。它通過采用簡單梁單元建立管系模型，并定義作用在系統(tǒng)中的載荷，用位移、載荷、應(yīng)力表示結(jié)果［8］。

CAESARⅡ只能處理圓形管道，還不能設(shè)置矩形管道，因此在方圓節(jié)及方管段，僅按質(zhì)量對等，壁厚不變，按圓形管近似模擬［9］，見圖4。管道節(jié)點及支吊點見圖5。計算參數(shù)說明如下。

圖4 小機排汽管道模型

圖5 小機排汽管道節(jié)點及支吊點

荷載類型：W為管道自重；D為管道附加位移；T為溫度；P為壓力。

應(yīng)力類型：SUS為冷態(tài)（安裝狀態(tài)）；OPE為熱態(tài)（工作狀態(tài)）；EXP為純熱態(tài)，包括溫度和附加位移；HGR為彈簧設(shè)計工況。

參數(shù)說明：T1=50℃；T2=90℃；P1=0.1MPa。

附加位移：D1：x=5，y=-3，z=0。

節(jié)點說明：500為小機排汽接口；170為大機喉部接口；30-40，60-70，80-90 為波紋膨脹節(jié)；50 為 1號彈簧支架；100為2號彈簧支架；120為3號彈簧吊架；140為4號彈簧吊架。

表1 模型受力結(jié)果

表2 支吊架受力結(jié)果

小機排汽管道接口受力計算結(jié)果見表1，管系支吊架計算結(jié)果見表2，管道節(jié)點及支吊架受力分析結(jié)果表明小機排汽口法蘭受力遠小于直接連接小凝汽器時的受力，此種結(jié)構(gòu)方式可行。

5 小機排汽對凝汽器喉部流場影響

5.1 物理模型

凝汽器喉部內(nèi)布置有大量的支撐管，還布置有內(nèi)置低壓加熱器、旁路蒸汽減溫減壓裝置等。喉部內(nèi)的其他零部件，考慮到其尺寸與凝汽器喉部和內(nèi)置的低壓加熱器的圓筒形殼體（簡稱低加）相比很小，對喉部整體流場的影響較小，為了簡化，計算區(qū)域中主要考慮喉部、低壓加熱器及主抽汽管道等主要部分，小機排汽從主凝汽器回水側(cè)的喉部平行于低加進入主機凝汽器。凝汽器喉部的物理模型如圖6、圖8所示。

5.2 控制方程

喉部流場的控制方程因蒸汽的密度變化不大，視為不可壓縮流體，并且不考慮源項，采用不可壓縮流體控制方程求解［10］。

未考慮小機排汽時能量損失系數(shù)

考慮小機排汽時能量損失系數(shù)

式中：p1、p2、p3分別為凝汽器喉部進、出口處的蒸汽靜壓和小機排汽進入主機凝汽器處的蒸汽靜壓，Pa；ρ1、ρ3分別為凝汽器喉部入口處的蒸汽密度和小機排汽進入主機凝汽器處的蒸汽密度，kg/m3；c1、c3分別為凝汽器喉部入口處的汽流速度和小機排汽進入主機凝汽器處的汽流速度，m/s。

5.3 數(shù)值模擬

計算的過程做如下假設(shè)［5-7］：1）由于蒸汽的流動距離短，速度快，發(fā)生相變的蒸汽量很少，因此假定流動工質(zhì)蒸汽的密度不變，整個流場溫度不變；2）假設(shè)凝汽器喉部入口、小機排汽進入主機凝汽器入口蒸汽的流場沿平面均勻分布；3）忽略重力的影響。

5.3.1 未布置小機排汽管道凝汽器喉部流場

未布置小機排汽管道的凝汽器喉部三維圖如圖6所示，出口速度等值線如圖7所示。從圖6、圖7可以看出，在沒有布置小機排汽管道的情況下，接頸處蒸汽出流的分布主要是內(nèi)部設(shè)備、抽汽管道對喉部內(nèi)蒸汽的擴散流動產(chǎn)生的影響，這些內(nèi)部管件產(chǎn)生的共同作用就是對喉部內(nèi)蒸汽流的阻塞作用。首先，由于抽汽管道的加入，使得喉部中心區(qū)域出現(xiàn)兩個特別突出的高速汽流區(qū)域，其流速遠遠大于接頸的平均出流流速；尤其是低壓加熱器下方的一根抽汽管道布置較低，由其產(chǎn)生的圓柱繞流到達接頸處沒來得及恢復而產(chǎn)生了一個位于管道正下方的低速流動區(qū)域，從整體上改變了主流動區(qū)域的蒸汽流動分布情況，是對喉部流動影響最大的內(nèi)部設(shè)備。其次，在凝汽器喉部汽輪機側(cè)沒有布置較大的管道，因而流速呈現(xiàn)比較均勻的狀態(tài)，汽流沿喉部向右擴散，速度逐漸遞減，汽輪機側(cè)汽流速度較低，使得蒸汽在該部位下方的管束利用效率較低。

圖6 未布置小機排汽管道的凝汽器喉部三維圖

圖7 未布置小機排汽管道的凝汽器喉部出口速度等值線（俯視）

5.3.2 小機排汽接入主機凝汽器喉部后流場

布置小機排汽管道的主機凝汽器喉部三維圖如圖8所示，出口速度等值線如圖9所示。從圖8、圖9可以看出，小機排汽進入主機凝汽器喉部后，受喉部抽汽管道影響，高速汽流經(jīng)過管道后產(chǎn)生“卡門”漩渦，使得汽流向兩側(cè)分布，中部汽流繞過抽汽管道后流速降低，而小機排汽對喉部右側(cè)汽流分布產(chǎn)生干擾，使整體汽流分布基本呈現(xiàn)對稱性。由于蒸汽量增加約6%，受此汽流的沖擊，喉部內(nèi)蒸汽流向兩側(cè)分布，高速汽流區(qū)面積大幅增加并沿兩側(cè)對稱分布，使得沿管束方向進汽受熱趨向均勻化，從而使得管束能更加均勻地接觸蒸汽。

圖8 布置小機排汽管道的主機凝汽器喉部三維圖

圖9 布置小機排汽管道的主機凝汽器喉部出口速度等值線（俯視）

6 結(jié)語

小機排汽管道接入主機凝汽器喉部可以有效地解決大小機凝汽器水量分配的問題，有利于充分發(fā)揮循環(huán)水泵的效率，增加大機凝汽器循環(huán)水流量、提高凝汽器真空，并大大簡化小機系統(tǒng)，減少系統(tǒng)運行維護工作量。

汽輪機排汽向下減速擴散流動過程中，受到了小機排汽的影響，流動方向發(fā)生改變，速度急劇下降，在靠近小機排汽側(cè)形成了兩個局部低速區(qū)，并一直延續(xù)到喉部的出口截面；而在小機排汽接入口的對側(cè)，喉部內(nèi)部流場的分布幾乎不受該排汽的影響。小機排汽的接入增大了凝汽器喉部局部流場的不均勻性，對凝汽器喉部熱負荷分布的均勻性產(chǎn)生負面影響。

小機排汽管道布置位置及接入角度是對喉部汽流分布影響的主要因素，可以通過在排汽管道入口處增設(shè)導流板，通過導流板的合理布置可以促成蒸汽汽流沿著管束布置方向趨于均勻化。

［1］洪建凡.火電廠小汽輪機排汽管系統(tǒng)的研究和設(shè)計［D］.南京：南京理工大學.2006.

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Research on the E ffects of E xhaust of BFPT on the M ain C ondenser

Z HAO Jian，N IU Quanxing，L I Yuanbo，Q IN Xiaoyan
（Xi’an Xieli Power Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710119，C hina）

The layout of the exhaust steam pipe of the steam-powered boiler feeder pump turbine（BFPT） is verified and checked using pipe stress analysis software CAESARⅡ.The understanding on the stress distribution on the pipes in different conditions ismade clear in this paper.The changes of the flow field of the condenser throat near the BFPT exhaust steam pipe are simulated using the numerical simulation software Fluent.The impact of the BFPT exhaust steam on the flow field of the condenser throat is analyzed.The results obtained are useful to the design and transformation of the condenser throat.

BFPT；condenser throat；numerical simulation

TM621

：A

：1007－9904（2017）08－0060－06

2017-03-16

趙 建（1982），男，工程師，主要從事熱能與動力設(shè)備的節(jié)能技術(shù)研究工作。